نظام مواد الدوائر المتكاملة الضوئية (PIC)
تُعدّ الفوتونيات السيليكونية فرعًا من فروع علم الفوتونيات يستخدم هياكل مستوية مصنوعة من مواد السيليكون لتوجيه الضوء وتحقيق وظائف متنوعة. نركز هنا على تطبيق الفوتونيات السيليكونية في صناعة أجهزة الإرسال والاستقبال لاتصالات الألياف الضوئية. ومع ازدياد الحاجة إلى زيادة سعة الإرسال ضمن نطاق ترددي محدد، وحجم محدد، وتكلفة محددة، تصبح الفوتونيات السيليكونية أكثر جدوى اقتصادية. أما بالنسبة للجزء البصري،تقنية التكامل الضوئييجب استخدامها، ومعظم أجهزة الإرسال والاستقبال المتماسكة اليوم مبنية باستخدام معدلات LiNbO3/ دائرة الموجة الضوئية المستوية (PLC) المنفصلة ومستقبلات InP/PLC.
الشكل 1: يوضح أنظمة المواد المستخدمة بشكل شائع في الدوائر المتكاملة الضوئية (PIC).
يوضح الشكل 1 أنظمة المواد الأكثر شيوعًا في الدوائر المتكاملة الضوئية. من اليسار إلى اليمين: الدوائر المتكاملة الضوئية المصنوعة من السيليكا (المعروفة أيضًا باسم PLC)، والدوائر المتكاملة الضوئية المصنوعة من العازل (الضوئيات السيليكونية)، ونيوبات الليثيوم (LiNbO3)، والدوائر المتكاملة الضوئية من المجموعة الثالثة-الخامسة، مثل InP وGaAs. تركز هذه الورقة على الضوئيات المصنوعة من السيليكون.تقنية الفوتونيات السيليكونيةتنتقل الإشارة الضوئية بشكل رئيسي في السيليكون، الذي يتميز بفجوة نطاق غير مباشرة تبلغ 1.12 إلكترون فولت (بطول موجي 1.1 ميكرون). يُنمّى السيليكون على شكل بلورات نقية في أفران خاصة، ثم يُقطع إلى رقائق، يبلغ قطرها اليوم عادةً 300 مم. يُؤكسد سطح الرقاقة لتكوين طبقة من السيليكا. تُقصف إحدى الرقائق بذرات الهيدروجين إلى عمق محدد. بعد ذلك، تُدمج الرقاقتان في فراغ، فتلتصق طبقات الأكسيد ببعضها. ينكسر التجميع على طول خط زرع أيونات الهيدروجين. تُصقل طبقة السيليكون عند الشق، تاركةً في النهاية طبقة رقيقة من السيليكون البلوري فوق رقاقة السيليكون السليمة، والتي بدورها تستقر فوق طبقة السيليكا. تُشكّل الموجهات الضوئية من هذه الطبقة البلورية الرقيقة. في حين أن رقائق العازل القائمة على السيليكون (SOI) هذه تجعل من الممكن استخدام موجهات ضوئية سيليكونية منخفضة الفقد، إلا أنها في الواقع تستخدم بشكل أكثر شيوعًا في دوائر CMOS منخفضة الطاقة بسبب تيار التسرب المنخفض الذي توفره.
توجد أشكال عديدة ممكنة للموجهات الضوئية المصنوعة من السيليكون، كما هو موضح في الشكل 2. وتتراوح هذه الأشكال من موجهات السيليكا المطعمة بالجرمانيوم ذات الحجم الميكروني إلى موجهات أسلاك السيليكون ذات الحجم النانوي. ومن خلال مزج الجرمانيوم، يمكن صنعأجهزة الكشف الضوئيوالامتصاص الكهربائيالمعدِّلاتوربما حتى مضخمات بصرية. من خلال تطعيم السيليكون،مُعدِّل بصرييمكن تصنيعها. في الأسفل، من اليسار إلى اليمين: موجه سلكي من السيليكون، موجه من نتريد السيليكون، موجه من أوكسي نتريد السيليكون، موجه ذو حافة سيليكونية سميكة، موجه من نتريد السيليكون الرقيق، وموجه من السيليكون المشوب. في الأعلى، من اليسار إلى اليمين، توجد مُعدِّلات الاستنزاف، وكواشف ضوئية من الجرمانيوم، والجرمانيوممضخمات بصرية.
الشكل 2: مقطع عرضي لسلسلة من الموجهات الضوئية القائمة على السيليكون، يوضح خسائر الانتشار النموذجية ومعاملات الانكسار.
تاريخ النشر: 15 يوليو 2024